Tutorial Java: Conjuntos

La interfaz Set

La interfaz Set es uno de los componentes fundamentales del Framework Collections de Java. Representa una colección de elementos que no permite duplicados, lo que la hace ideal para almacenar conjuntos de valores únicos.

A diferencia de las listas, un Set no mantiene un orden específico de elementos (con algunas excepciones como LinkedHashSet) y no proporciona acceso posicional a los elementos. La principal característica que define a un Set es que garantiza la unicidad de todos sus elementos.

Características principales de Set

• Sin duplicados: Cualquier intento de añadir un elemento que ya existe en el conjunto será ignorado.
• No indexado: No se puede acceder a los elementos por su posición.
• Operaciones de conjunto: Permite realizar operaciones matemáticas de conjuntos como unión, intersección y diferencia.

Métodos principales

La interfaz Set hereda de Collection y proporciona los siguientes métodos esenciales:

• add(E e): Añade un elemento al conjunto si no está presente.
• remove(Object o): Elimina un elemento específico del conjunto.
• contains(Object o): Verifica si el conjunto contiene un elemento específico.
• size(): Devuelve el número de elementos en el conjunto.
• isEmpty(): Verifica si el conjunto está vacío.
• clear(): Elimina todos los elementos del conjunto.

Implementaciones comunes

Java proporciona varias implementaciones de la interfaz Set:

• HashSet: Implementación basada en tablas hash, ofrece rendimiento constante para operaciones básicas.
• TreeSet: Implementación basada en árboles, mantiene los elementos ordenados.
• LinkedHashSet: Mantiene el orden de inserción mientras proporciona la unicidad de HashSet.

Creación y uso básico de un Set

Veamos cómo crear y utilizar un Set en Java:

import java.util.Set;
import java.util.HashSet;

public class EjemploSet {
    public static void main(String[] args) {
        // Creación de un conjunto
        Set<String> frutas = new HashSet<>();
        
        // Añadir elementos
        frutas.add("Manzana");
        frutas.add("Plátano");
        frutas.add("Naranja");
        frutas.add("Manzana");  // Este elemento no se añadirá por ser duplicado
        
        // Mostrar el tamaño del conjunto
        System.out.println("Tamaño del conjunto: " + frutas.size());  // Mostrará 3, no 4
        
        // Recorrer el conjunto
        System.out.println("Elementos del conjunto:");
        for (String fruta : frutas) {
            System.out.println(fruta);
        }
        
        // Verificar si un elemento existe
        boolean contieneManzana = frutas.contains("Manzana");
        System.out.println("¿Contiene Manzana? " + contieneManzana);
        
        // Eliminar un elemento
        frutas.remove("Plátano");
        System.out.println("Después de eliminar Plátano: " + frutas);
    }
}

Operaciones de conjuntos

Una de las ventajas de usar Sets es la posibilidad de realizar operaciones matemáticas de conjuntos:

import java.util.Set;
import java.util.HashSet;

public class OperacionesConjuntos {
    public static void main(String[] args) {
        // Crear dos conjuntos
        Set<Integer> conjunto1 = new HashSet<>();
        conjunto1.add(1);
        conjunto1.add(2);
        conjunto1.add(3);
        
        Set<Integer> conjunto2 = new HashSet<>();
        conjunto2.add(3);
        conjunto2.add(4);
        conjunto2.add(5);
        
        // Crear copias para no modificar los originales
        Set<Integer> union = new HashSet<>(conjunto1);
        union.addAll(conjunto2);  // Unión: {1, 2, 3, 4, 5}
        
        Set<Integer> interseccion = new HashSet<>(conjunto1);
        interseccion.retainAll(conjunto2);  // Intersección: {3}
        
        Set<Integer> diferencia = new HashSet<>(conjunto1);
        diferencia.removeAll(conjunto2);  // Diferencia: {1, 2}
        
        // Mostrar resultados
        System.out.println("Conjunto 1: " + conjunto1);
        System.out.println("Conjunto 2: " + conjunto2);
        System.out.println("Unión: " + union);
        System.out.println("Intersección: " + interseccion);
        System.out.println("Diferencia (conjunto1 - conjunto2): " + diferencia);
    }
}

Uso práctico de Set

Los conjuntos son especialmente útiles en situaciones donde necesitamos:

• Eliminar duplicados de una colección existente
• Verificar la pertenencia de elementos de forma eficiente
• Representar conjuntos matemáticos como grupos de usuarios, permisos, etc.

Veamos un ejemplo práctico de eliminación de duplicados:

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Set;

public class EliminarDuplicados {
    public static void main(String[] args) {
        // Lista con elementos duplicados
        List<String> listaConDuplicados = new ArrayList<>();
        listaConDuplicados.add("Madrid");
        listaConDuplicados.add("Barcelona");
        listaConDuplicados.add("Valencia");
        listaConDuplicados.add("Madrid");
        listaConDuplicados.add("Sevilla");
        listaConDuplicados.add("Barcelona");
        
        System.out.println("Lista original: " + listaConDuplicados);
        
        // Eliminar duplicados usando un Set
        Set<String> conjuntoSinDuplicados = new HashSet<>(listaConDuplicados);
        
        // Convertir de nuevo a lista si es necesario
        List<String> listaSinDuplicados = new ArrayList<>(conjuntoSinDuplicados);
        
        System.out.println("Lista sin duplicados: " + listaSinDuplicados);
    }
}

Consideraciones de rendimiento

Al elegir una implementación de Set, es importante considerar:

• HashSet: Ofrece rendimiento O(1) para operaciones básicas, pero no garantiza orden.
• TreeSet: Mantiene elementos ordenados, pero las operaciones son O(log n).
• LinkedHashSet: Mantiene orden de inserción con rendimiento similar a HashSet.

Para la mayoría de los casos de uso, HashSet es la implementación más eficiente y la elección por defecto cuando no se necesita un orden específico.

Ejemplo de uso con objetos personalizados

Para usar objetos personalizados en un Set, es importante sobrescribir los métodos equals() y hashCode() para garantizar la unicidad correcta:

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class EjemploSetObjetos {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Estudiante> estudiantes = new HashSet<>();
        
        estudiantes.add(new Estudiante(1, "Ana"));
        estudiantes.add(new Estudiante(2, "Carlos"));
        estudiantes.add(new Estudiante(1, "Ana"));  // Mismo ID, no debería añadirse
        
        System.out.println("Número de estudiantes: " + estudiantes.size());  // Debería ser 2
        
        for (Estudiante e : estudiantes) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

class Estudiante {
    private int id;
    private String nombre;
    
    public Estudiante(int id, String nombre) {
        this.id = id;
        this.nombre = nombre;
    }
    
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
        
        Estudiante otro = (Estudiante) obj;
        return id == otro.id;  // Consideramos iguales si tienen el mismo ID
    }
    
    @Override
    public int hashCode() {
        return id;  // El hashCode basado en el ID
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Estudiante{id=" + id + ", nombre='" + nombre + "'}";
    }
}

La interfaz Set es una herramienta fundamental en Java para manejar colecciones de elementos únicos, ofreciendo una forma eficiente de eliminar duplicados y realizar operaciones de conjuntos matemáticos.

La clase HashSet

HashSet es la implementación más común y utilizada de la interfaz Set en Java. Esta clase almacena sus elementos en una tabla hash, lo que permite un acceso muy rápido a los datos y garantiza que no existan elementos duplicados dentro de la colección.

Características principales de HashSet

• Rendimiento eficiente: Las operaciones básicas como add, remove y contains se ejecutan en tiempo constante (O(1)) en promedio.
• Sin orden garantizado: No mantiene ningún orden específico de los elementos.
• Permite null: A diferencia de algunas otras colecciones, HashSet permite almacenar un único elemento null.
• No sincronizada: No es segura para uso en entornos multihilo sin sincronización externa.

Creación de un HashSet

Existen varias formas de crear un HashSet en Java:

// Crear un HashSet vacío
HashSet<String> ciudades = new HashSet<>();

// Crear un HashSet con capacidad inicial específica
HashSet<Integer> numeros = new HashSet<>(20);

// Crear un HashSet a partir de otra colección
ArrayList<String> listaPaises = new ArrayList<>();
listaPaises.add("España");
listaPaises.add("Francia");
listaPaises.add("Italia");

HashSet<String> paises = new HashSet<>(listaPaises);

Operaciones básicas con HashSet

Veamos las operaciones más comunes que podemos realizar con un HashSet:

import java.util.HashSet;

public class OperacionesHashSet {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> lenguajes = new HashSet<>();
        
        // Añadir elementos
        lenguajes.add("Java");
        lenguajes.add("Python");
        lenguajes.add("JavaScript");
        lenguajes.add("C++");
        
        // Intentar añadir un duplicado (será ignorado)
        boolean añadido = lenguajes.add("Java");
        System.out.println("¿Se añadió Java de nuevo? " + añadido);  // Mostrará: false
        
        // Verificar si contiene un elemento
        System.out.println("¿Contiene Python? " + lenguajes.contains("Python"));  // true
        
        // Eliminar un elemento
        lenguajes.remove("C++");
        
        // Obtener el tamaño
        System.out.println("Número de lenguajes: " + lenguajes.size());  // 3
        
        // Recorrer el conjunto
        System.out.println("Lenguajes de programación:");
        for (String lenguaje : lenguajes) {
            System.out.println("- " + lenguaje);
        }
        
        // Vaciar el conjunto
        lenguajes.clear();
        System.out.println("¿Está vacío? " + lenguajes.isEmpty());  // true
    }
}

Funcionamiento interno de HashSet

Internamente, HashSet utiliza un HashMap para almacenar sus elementos. Cada elemento que se añade al HashSet se guarda como una clave en el HashMap subyacente, con un objeto ficticio como valor.

Cuando añadimos un elemento a un HashSet:

1. Se calcula el código hash del elemento usando el método hashCode()
2. Este código hash determina en qué "cubeta" (bucket) se almacenará el elemento
3. Si ya existe un elemento en esa ubicación, se usa el método equals() para verificar si son iguales
4. Si son iguales, el nuevo elemento no se añade (evitando duplicados)

Rendimiento de HashSet

El rendimiento de HashSet depende de dos factores principales:

• La capacidad inicial (número de buckets)
• El factor de carga (determina cuándo se redimensiona la tabla hash)

Por defecto, HashSet tiene un factor de carga de 0.75, lo que significa que cuando el 75% de su capacidad está ocupada, la tabla hash se redimensiona automáticamente.

// Crear un HashSet con capacidad inicial y factor de carga personalizados
HashSet<Double> valores = new HashSet<>(100, 0.8f);

Ejemplo práctico: Filtrar elementos duplicados

Un uso común de HashSet es eliminar elementos duplicados de una lista:

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;

public class FiltrarDuplicados {
    public static void main(String[] args) {
        // Lista con elementos duplicados
        List<Integer> numerosConDuplicados = new ArrayList<>();
        numerosConDuplicados.add(10);
        numerosConDuplicados.add(20);
        numerosConDuplicados.add(10);
        numerosConDuplicados.add(30);
        numerosConDuplicados.add(20);
        numerosConDuplicados.add(40);
        
        System.out.println("Lista original: " + numerosConDuplicados);
        
        // Filtrar duplicados con HashSet
        HashSet<Integer> numerosSinDuplicados = new HashSet<>(numerosConDuplicados);
        
        System.out.println("Lista sin duplicados: " + numerosSinDuplicados);
    }
}

Uso de HashSet con objetos personalizados

Para usar objetos personalizados en un HashSet de manera efectiva, es crucial implementar correctamente los métodos equals() y hashCode(). Estos métodos determinan cómo se comparan los objetos y cómo se distribuyen en la tabla hash.

import java.util.HashSet;
import java.util.Objects;

public class HashSetConObjetos {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<Producto> productos = new HashSet<>();
        
        productos.add(new Producto(1, "Laptop", 999.99));
        productos.add(new Producto(2, "Teléfono", 599.99));
        productos.add(new Producto(1, "Laptop", 1099.99));  // Mismo ID, precio diferente
        
        System.out.println("Número de productos: " + productos.size());  // Mostrará 2
        
        for (Producto p : productos) {
            System.out.println(p);
        }
    }
}

class Producto {
    private int id;
    private String nombre;
    private double precio;
    
    public Producto(int id, String nombre, double precio) {
        this.id = id;
        this.nombre = nombre;
        this.precio = precio;
    }
    
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        Producto producto = (Producto) o;
        return id == producto.id;  // Consideramos iguales si tienen el mismo ID
    }
    
    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(id);  // Generamos el hash basado solo en el ID
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Producto{id=" + id + ", nombre='" + nombre + "', precio=" + precio + "}";
    }
}

Comparación con otras implementaciones de Set

Es importante entender las diferencias entre HashSet y otras implementaciones de Set para elegir la más adecuada según tus necesidades:

• HashSet: Más rápido para la mayoría de operaciones, pero no mantiene ningún orden.
• LinkedHashSet: Mantiene el orden de inserción, con un rendimiento ligeramente inferior a HashSet.
• TreeSet: Mantiene los elementos ordenados, pero con operaciones más lentas (O(log n)).

import java.util.*;

public class ComparacionSets {
    public static void main(String[] args) {
        // Crear tres tipos diferentes de Set
        Set<String> hashSet = new HashSet<>();
        Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
        Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
        
        // Añadir elementos en el mismo orden a cada Set
        for (Set<String> set : Arrays.asList(hashSet, linkedHashSet, treeSet)) {
            set.add("C");
            set.add("A");
            set.add("B");
            set.add("E");
            set.add("D");
        }
        
        // Mostrar el orden de los elementos en cada Set
        System.out.println("HashSet (sin orden garantizado): " + hashSet);
        System.out.println("LinkedHashSet (orden de inserción): " + linkedHashSet);
        System.out.println("TreeSet (orden natural): " + treeSet);
    }
}

Casos de uso comunes para HashSet

HashSet es especialmente útil en los siguientes escenarios:

• Verificación de unicidad: Cuando necesitas asegurarte de que no hay duplicados.
• Operaciones de conjuntos: Para realizar uniones, intersecciones o diferencias entre colecciones.
• Búsquedas rápidas: Cuando necesitas verificar rápidamente si un elemento existe.
• Eliminación de duplicados: Como forma eficiente de eliminar elementos repetidos de otra colección.

import java.util.HashSet;

public class CasosUsoHashSet {
    public static void main(String[] args) {
        // Verificar si hay elementos duplicados en un array
        String[] palabras = {"hola", "mundo", "java", "mundo", "programación"};
        
        HashSet<String> conjuntoPalabras = new HashSet<>();
        boolean hayDuplicados = false;
        
        for (String palabra : palabras) {
            if (!conjuntoPalabras.add(palabra)) {
                System.out.println("Palabra duplicada encontrada: " + palabra);
                hayDuplicados = true;
            }
        }
        
        if (!hayDuplicados) {
            System.out.println("No se encontraron palabras duplicadas");
        }
    }
}

HashSet proporciona una implementación eficiente y flexible de la interfaz Set, siendo la opción ideal cuando necesitas una colección que garantice elementos únicos y un rendimiento óptimo en las operaciones de búsqueda, inserción y eliminación.